UPSI Digital Repository (UDRep)
Start | FAQ | About

QR Code Link :

Type :thesis
Subject :TJ Mechanical engineering and machinery
Main Author :Muhammad Rashidi Ab Razak
Title :Performance in enhancement of microfluidic-based capacitive pressure sensor
Place of Production :Tanjong Malim
Publisher :Fakulti Sains dan Matematik
Year of Publication :2020
Notes :With cd
Corporate Name :Universiti Pendidikan Sultan Idris
PDF Guest :Click to view PDF file
PDF Full Text :Click to view PDF file

Abstract : Universiti Pendidikan Sultan Idris
This study aims to enhance the performance of microfluidic-based capacitive pressure sensor  using  square  membrane  shapes  and  ellipse  and  square-shaped  microchannel patterns.  This study also investigates the pressure sensor using propylene carbonate as electrolyte  in  term   of  boiling  point  and  dielectric  constant.  The  microfluidic-based capacitive pressure sensor  investigates for pressure measurement by using square and ellipse-shaped   microchannel   patterns.    When   a   pressure   was   applied   on   to   the membrane,  it  provides  deflection  and   displaces  the  liquid  inside  the  microchannel. The  liquid  movement  induces  changes  in   capacitance.  During  the  design  stage,  a simulation  analysis  on  two  different  membrane   structures,  including  square  and rectangular, were studied. In addition, two different  microchannel designs, including ellipse and square shape pattern, were designed and simulated. The  finalized sensor design was fabricated using soft lithography, printed circuit board (PCB) and  sealing process.  Then,  a  fluidic-based  pressure  sensor  was  characterized  based  on  fluid  mechanism,   pressure   measurement,   temperature   effect   and   lifetime   effect.   The  experimental   result   showed   that   the   fluid   mechanism   for   the   ellipse-shaped  microchannel was linearly increased as the pressure increase compared to the square shape which was  non-linear. For pressure measurement, error percentage of hysteresis was  obtained  for  the   ellipse-shaped  microchannel  is  0.6%  which  was  quite  low compared  to  the  square-shaped   microchannel,  which  is  23%  of  error.  For  the temperature effect of the ellipse-shaped  microchannel, its capacitance increased about 0.86%  ranging from  20  to  50  ?C,  which  is   suitable  for a  sensor  to  operate  at  room temperature. The use of the propylene carbonate  increased the lifespan of the sensor due  to  its  boiling  point  property.  In  conclusion,  a   fluidic-based  capacitive  pressure sensor    was    successfully    developed    using    a     square    and    an    ellipse-shaped microchannel.  The  ellipse-shaped  microchannel  showed   excellent  performance  than the  square-shaped  microchannel.  For  the  research  implication,   it  can  be  used  by researchers as a guideline and reference especially in developing pressure sensors.  

References

Almassri,  A.  M.,  Wan  Hasan,  W.  Z.,  Ahmad,  S.  A.,  Ishak,  A.  J.,  Ghazali,  A.  M.,

Talib,  D.  N.,  et  al  (2015).  Pressure  sensor:  state  of  the  art,  design,  and application 

for robotic hand. Journal of Sensors, 2015.

 

Antony,  R.,  Nandagopal,  M.  G.,  Sreekumar,  N.,  &  Selvaraju,  N.  (2014).  Detection 

principles   and   development   of   microfluidic   sensors   in   the   last   decade. 

Microsystem Technologies, 20(6), 1051-1061.

 

Chen, J. Z., Darhuber, A. A., Troian, S. M., & Wagner, S. (2004). Capacitive sensing of droplets  

for microfluidic devices based on  thermocapillary actuation.  Lab on a Chip, 4(5), 473-480.

 

Chen,   J.,   &   Liu,   C.   (2003).   Development   and   characterization   of   surface 

micromachined,      out-of-plane      hot-wire      anemometer.      Journal      of 

Microelectromechanical systems, 12(6), 979-988.

 

DeHennis, A., Chae, J., & Baroutaji, A. (2016). Pressure sensors.

 

Dijkstra, M., de Boer, M. J., Berenschot, J. W., Lammerink, T. S., Wiegerink, R. J., & Elwenspoek,  

 M.   (2007,   January).   Miniaturized   flow   sensor   with   planar integrated  sensor  

structures  on  semicircular  surface  channels.  In  2007  IEEE 20th International Conference on 

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) (pp. 123-126). IEEE.

 

Dijkstra, M., de Boer, M. J., Berenschot, J. W., Lammerink, T. S., Wiegerink, R. J., & Elwenspoek,  

 M.   (2008).   Miniaturized   thermal   flow   sensor   with   planar- integrated  sensor  

structures  on  semicircular  surface  channels.  Sensors  and Actuators A: Physical, 143(1), 1-6.

 

Dijkstra, M., Lammerink, T. S. J., Wiegerink, R. J., & Elwenspoek, M. (2006). Nano- flow thermal 

sensor applying dynamic ω-2ω sensing method. In Proceeding of MME.

 

Eaton,  W.  P.,  &  Smith,  J.  H.  (1997).  Micromachined  pressure  sensors:  review  and recent 

developments. Smart Materials and Structures, 6(5), 530.

 

Elbuken, C., Glawdel, T., Chan, D., & Ren, C. L. (2011). Detection of microdroplet size  and  speed 

 using capacitive  sensors.  Sensors  and  Actuators  A:  Physical, 171(2), 55-62.

 

Eswaran, P., & Malarvizhi, S. (2012, March). Sensitivity analysis on mems capacitive differential   

pressure   sensor   with   bossed   diaphragm   membrane.   In   2012 International Conference on 

Devices, Circuits and Systems (ICDCS) (pp. 704-

707). IEEE.

 

Eswaran, P., & Malarvizhi, S. (2013). MEMS capacitive pressure sensors: a review on

recent development and prospective.

 

Ferrari, V., & Prudenziati, M. (2012). Printed thick-film capacitive sensors. In Printed Films (pp. 

193-220). Woodhead Publishing.

 

Fleming, W. J. (2001). Overview of automotive sensors. IEEE sensors journal, 1(4), 296-308.

 

Ganji, B. A., & SHAMS, N. M. (2013). Modeling of capacitance and sensitivity of a MEMS pressure 

sensor with clamped square diaphragm.

 

Gentili,   E.,   Tabaglio,   L.,   &   Aggogeri,   F.   (2005).   Review   on   micromachining 

techniques.  In  AMST’05  advanced  manufacturing  systems  and  technology (pp. 387-396). 

Springer, Vienna.

 

Gieles, A. (1969, February). Subminiature silicon pressure transducer. In 1969 IEEE International  

Solid-State  Circuits  Conference.  Digest  of  Technical  Papers (Vol. 12, pp. 108-109). IEEE.

 

Gunawardane,  K  &  Kularatna,  N,  (2015).  Capacitors  as  energy  storage  devices— simple  

basics  to  current  commercial  families,  Energy  Storage  Devices  for Electronic Systems, 

Academic Press, Pages 137-148, ISBN 9780124079472,

 

Han,  J.,  &  Shannon,  M.  A.  (2009).  Smooth  contact  capacitive  pressure  sensors  in 

touch-and peeling-mode operation. IEEE Sensors Journal, 9(3), 199-206.

 

Jeong,  W.,  &  Seong,  J.  (2014).  Comparison  of  effects  on  technical  variances  of 

computational  fluid  dynamics  (CFD)  software  based  on  finite  element  and finite volume 

methods. International Journal of Mechanical Sciences, 78, 19- 26.

 

Kim, H. K., Lee, S., & Yun, K. S. (2011). Capacitive tactile sensor array for touch screen 

application. Sensors and Actuators A: Physical, 165(1), 2-7.

 

Lei,  K.  F.,  Lee,  K.  F.,  &  Lee,  M.  Y.  (2012).  Development  of  a  flexible  PDMS 

capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement. Microelectronic Engineering, 99, 1-5.

 

Lei, K. F., Lee, K. F., & Lee, M. Y. (2014). A flexible PDMS capacitive tactile sensor with   

adjustable   measurement   range   for   plantar   pressure   measurement. Microsystem 

technologies, 20(7), 1351-1358.

 

Lichtenberg,  J.,  &  Hierlemann,  A.  (2005,  June).  Liquid-core,  piezoresistive,  fully 

polymer-based  pressure  sensor.  In  The  13th  International  Conference  on Solid-State  

Sensors,  Actuators  and  Microsystems,  2005.  Digest  of  Technical

Papers. TRANSDUCERS'05. (Vol. 1, pp. 491-494). IEEE.

 

Liu, C. (2007). Recent developments in polymer MEMS. Advanced Materials, 19(22),

3783-3790.

Manaf,  A.  B.  A.,  Nakamura,  K.,  &  Matsumoto,  Y.  (2008).  Characterization  of

miniaturized  one-side-electrode-type  fluid-based  inclinometer.  Sensors  and Actuators A: 

Physical, 144(1), 74-82.

 

Marjani,  A.,   &  Shirazian,  S.  (2011).  Simulation  of  heavy  metal  extraction  in membrane 

contactors using computational fluid dynamics. Desalination, 281, 422-428.

 

Mark J.E., Ed., Polymer Data Handbook, vol. 2. New York, NY, USA: Oxford Univ.

Press, 2009.

 

McDonald, J. C., Duffy, D. C., Anderson, J. R., Chiu, D. T., Wu, H., Schueller, O. J., et  al  

(2000).  Fabrication  of  microfluidic  systems  in  poly (dimethylsiloxane). ELECTROPHORESIS: An 

International Journal, 21(1), 27-40.

 

Melani, M., Bertini, L., De Marinis, M., Lange, P., D'Ascoli, F., & Fanucci, L. (2008, March). Hot 

wire anemometric MEMS sensor for water flow monitoring.  In Proceedings of the conference on 

design, automation and test in europe (pp. 342-347). ACM.

 

Mitrakos,  V.,  Macintyre,  L.,  Denison,  F.,  Hands,  P.,  &  Desmulliez,  M.  (2017). Design,  

manufacture  and  testing  of  capacitive  pressure  sensors  for  low- pressure measurement 

ranges. Micromachines, 8(2), 41.

 

Mizuno,  Y.,  Liger,  M.,  &  Tai,  Y.  C.  (2004,  January).  Nanofluidic  flowmeter  using carbon 

 sensing  element.  In  17th  IEEE  International  Conference  on  Micro Electro  Mechanical  

Systems.  Maastricht  MEMS  2004  Technical  Digest  (pp. 322-325). IEEE.

 

Nallathambi,  A.,  &  Shanmuganantham,  T.  (2015).  Design  of  Diaphragm  Based MEMS   Pressure   

Sensor   with   Sensitivity   Analysis   for   Environmental Applications. Sensors & Transducers, 

188(5), 48.

 

Narakathu, B. B., Eshkeiti, A., Reddy, A. S. G., Rebros, M., Rebrosova, E., Joyce, M.

K. et al (2012, October). A novel fully printed and flexible capacitive pressure sensor. In 

SENSORS, 2012 IEEE (pp. 1-4). IEEE.

 

Nawi, M. N. M., Manaf, A. A., Rahman, M. F. A., Arshad, M. R., & Sidek, O. (2014). 

One-side-electrode-type    fluidic-based    capacitive    pressure   sensor.    IEEE Sensors 

Journal, 15(3), 1738-1746.

 

Park,  J.  Y.,  Yoo,  S.  J.,  Lee,  E.  J.,  Lee,  D.  H.,  Kim,  J.  Y.,  &  Lee,  S.  H.  

(2010).

Increased    poly    (dimethylsiloxane)    stiffness    improves    viability    and

morphology of mouse fibroblast cells. BioChip Journal, 4(3), 230-236.

 

Patsis, G. P., Petropoulos, A., & Kaltsas, G.  (2012). Modelling and evaluation of a

thermal   microfluidic   sensor   fabricated   on   plastic   substrate.   Microsystem 

technologies, 18(3), 359-364.

 

Puers,  R.  (1993).  Capacitive  sensors:  when  and  how  to  use  them.  Sensors  and Actuators 

A: Physical, 37, 93-105.

 

Rahman,  M.  F.  A.,  Arshad,  M.  R.,  Manaf,  A.  A.,  &  Yaacob,  M.  I.  H.  (2011, September). 

 Modelling  of  a  novel  design  of  microfluidic  based  acoustic sensor.  In  2011  IEEE  

Regional  Symposium  on  Micro  and  Nano  Electronics (pp. 56-59). IEEE.

 

Rahman,  M.  F.  A.,  Manaf,  A.  A.,  &  Arshad,  M.  R.  (2013).  Capacitive  effect  of coplanar 

 electrodes  partially outside  the  microchannel  region  for underwater microfluidic-based 

sensor.

 

Rahman,  M.  F.  A.,  Nawi,  M.  N.  M.,  Manaf,  A.  A.,  &  Arshad,  M.  R.  (2014). 

Characterization   of   Microfluidic-Based   Acoustic   Sensor   for   Immersion Application. IEEE 

Sensors Journal, 15(3), 1559-1566.

 

Roberts, P., Damian, D. D., Shan, W., Lu, T., & Majidi, C. (2013, May). Soft-matter capacitive 

sensor for measuring shear and pressure deformation. In 2013 IEEE International Conference on 

Robotics and Automation (pp. 3529-3534). IEEE.

 

Saini,  A.,  Ahmad,  D.,  &  Patra,  K.  (2016,  April).  Electromechanical  performance analysis   

of   inflated   dielectric   elastomer   membrane   for   micro   pump applications. In 

Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2016 (Vol. 9798, p. 979813). International 

Society for Optics and Photonics.

 

Sekimori, Y., Yoshida, Y., & Kitamori, T. (2004, October). Pressure sensor for micro chemical 

system on a chip. In SENSORS, 2004 IEEE (pp. 516-519). IEEE.

 

Shuai,  X.,  Zhu,  P.,  Zeng,  W.,  Hu,  Y.,  Liang,  X.,  Zhang,  Y.,  et  al  (2017).  Highly 

sensitive   flexible   pressure   sensor   based   on   silver   nanowires-embedded 

polydimethylsiloxane   electrode   with   microarray   structure.   ACS   applied materials & 

interfaces, 9(31), 26314-26324

 

Singh, K., Joyce, R., Varghese, S., & Akhtar, J. (2015). Fabrication of electron beam physical  

vapor  deposited  polysilicon  piezoresistive  MEMS  pressure  sensor. Sensors and Actuators A: 

Physical, 223, 151-158.

 

Sparks,   D.   (2013).   MEMS   pressure   and   flow   sensors   for   automotive   engine 

management  and  aerospace  applications.  In  MEMS  for  Automotive  and Aerospace Applications 

(pp. 78-105). Woodhead Publishing.

 

Suter, J. D., Hohimer, C. J., Fricke, J. M., Christ, J., Kim, H., & Evans, A. T. (2013). Principles 

of meniscus-based MEMS gas or liquid pressure sensors. Journal of

Microelectromechanical Systems, 22(3), 670-677.

 

Timoshenko,  Stephen  P.,  and  Sergius  Woinowsky-Krieger.  Theory  of  plates  and

shells. McGraw-hill, 1959.

 

Wang,   Z.,   Volinsky,   A.   A.,   &  Gallant,   N.   D.   (2014).   Crosslinking  effect   on 

polydimethylsiloxane elastic modulus measured by custom?built compression instrument. Journal of 

Applied Polymer Science, 131(22).

 

Woo,  S.  J.,  Kong,  J.  H.,  Kim,  D.  G.,  &  Kim,  J.  M.  (2014).  A  thin  all-elastomeric 

capacitive   pressure   sensor   array   based   on   micro-contact   printed   elastic conductors. 

Journal of Materials Chemistry C, 2(22), 4415-4422.

 

Wu,  C.  Y.,  Liao,  W.  H.,  &  Tung,  Y.  C.  (2011).  Integrated  ionic  liquid-based 

electrofluidic   circuits   for   pressure   sensing   within   polydimethylsiloxane microfluidic 

systems. Lab on a Chip, 11(10), 1740-1746.

 

Wu, S., Lin, Q., Yuen, Y., & Tai, Y. C. (2001). MEMS flow sensors for nano-fluidic applications. 

Sensors and Actuators A: Physical, 89(1-2), 152-158.

 

Xiaoli,  Z.  (2013).,  Effects  of  different  reaction  conditions  on  the  synthesis  of 

propylene carbonate. Org Chem Ind J. Vol: 9(12).

 

Yuichi Shinmoto, 2001, 4  -  Vehicle optical  sensor, Editor(s):  Ljubo  Vlacic, Michel Parent,  

Fumio  Harashima,   In  Automotive  Engineering  Series,   Intelligent Vehicle    Technologies,    

Butterworth-Heinemann,    Pages    87-112,    ISBN 9780750650939, 

https://doi.org/10.1016/B978-075065093-9/50006-2.

 

Yunus, N. A. M., Halin, I. A., Sulaiman, N., Ismail, N. F., & Sheng, O. K. (2015). Valuation on 

MEMS Pressure Sensors and Device Applications. International Journal  of  Electrical,  Computer,  

Energetic,  Electronic  and  Communication Engineering, 9(8).

 

Zhang, Y., Howver, R., Gogoi, B., & Yazdi, N. (2011, June). A high-sensitive ultra- thin MEMS 

capacitive pressure sensor. In 2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and 

Microsystems Conference (pp. 112-115). IEEE.

 

Zhuo, B., Chen, S., Zhao, M., & Guo, X. (2017). High sensitivity flexible capacitive pressure 

sensor  using polydimethylsiloxane elastomer dielectric layer  micro- structured by 3-D printed 

mold. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 5(3), 219-223.

 

Zulfiqar,  A.,  Pfreundt,  A.,  Svendsen,  W.  E.,  &  Dimaki,  M.  (2015).  Fabrication  of 

polyimide  based  microfluidic  channels  for  biosensor  devices.  Journal  of

Micromechanics and Microengineering, 25(3), 035022.

 


This material may be protected under Copyright Act which governs the making of photocopies or reproductions of copyrighted materials.
You may use the digitized material for private study, scholarship, or research.

Back to previous page

Installed and configured by Bahagian Automasi, Perpustakaan Tuanku Bainun, Universiti Pendidikan Sultan Idris
If you have enquiries with this repository, kindly contact us at pustakasys@upsi.edu.my or Whatsapp +60163630263 (Office hours only)